TRANSKRYPCJA VIDEO
Astrofaza
Czy to zmieni nasz świat? Rewolucja w nadprzewodnikach?
Opis wygenerowany przez Skrybot
Dla tego filmu nie wygenerowano opisu.
Transkrypcja wygenerowana przez Skrybot
News, o którym jest dzisiejszy odcinek, jeśli się potwierdzi, będzie wiadomością na miarę opracowania tranzystora, a może nawet ujarzmienia energii elektrycznej. Jeśli koreański zespół naukowców ma rację i z jakiegoś mrocznego powodu nie wkręca nas wszystkich, to już niedługo technologia, która nas otacza może wykonać skok w nadświetlną. Panie i panowie, prawdopodobnie po raz pierwszy w historii udało się stworzyć nadprzewodnik, który działa w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu. Ale co to właściwie oznacza? Czym jest nadprzewodnik i dlaczego powinno nas to interesować? Autorami pracy, którą trzymam właśnie w rękach jest trzech badaczy z Korei Południowej. Suk Ba Lee, który był liderem zespołu.
Ji Hun Kim odpowiedzialny za syntezę substancji, z której zrobiony jest nadprzewodnik i odpowiedzialny za część eksperymentów mających potwierdzić, że faktycznie mamy do czynienia z nadprzewodnikiem. Jung Hwan Kwon. Okazuje się, że najprawdopodobniej udało się stworzyć materiał, który ma pożądane własności i jednocześnie jest dość prosty do otrzymania. No bo nie trudno wyobrazić sobie sytuację, w której stworzyliśmy działający w normalnych warunkach nadprzewodnik, ale koszt jego wytworzenia jest tak horrendalny, że żadna nowa technologia dzięki niemu nie powstanie, bo zwyczajnie nie będzie się to opłacało. A tu możemy na ciastko popatrzeć, zjeść je, dalej mieć, oddać komuś i dalej mieć. Super ciastko. Zanim przejdziemy do szczegółów tego odkrycia, należałoby wyjaśnić w ogóle czym są nadprzewodniki i do czego się je wykorzystuje.
Jest taka świetna ilustracja, która pokazuje nam przepływ prądu. Widzimy na niej omy, które utrudniają swobodny przepływ elektronów. No i zapamiętajmy to. Przewodnik to materiał, który dobrze przewodzi prąd elektryczny. Przykładem mogą być metale takie jak miedź czy aluminium, które są często używane do produkcji przewodów elektrycznych. Przewodniki mają wolne elektrony, które mogą swobodnie przemieszczać się i przewodzić prąd. Ale ważne jest, że podczas tego przewodzenia prądu, te elektrony zderzają się z atomami w materiale, powodując opór i generując ciepło. To jest powód, dlaczego kable czy żarówki się nagrzewają, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Im bardziej nasz dzielny, umocni uścisk, tym bardziej będzie się nagrzewał dany przewodnik. Nadprzewodnik z kolei to specjalny rodzaj materiału, który również przewodzi prąd, ale robi to w zupełnie unikalny sposób.
W nadprzewodnikach, kiedy schłodzimy je do bardzo niskich temperatur, bliskich absolutnemu 0, czyli okolice 0 kelwinów, czy też kilku właściwie kelwinów w tym przypadku, dzieje się coś niesamowitego. Opór elektryczny spada do zera. To oznacza, że prąd elektryczny może przepływać przez nadprzewodnik bez żadnych strat energii, które są oddawane na ciepło. To jest powód, dla którego nadprzewodniki są tak ekscytujące. Pozwalają na super efektywne przewodzenie prądu. Ale to wymaga bardzo niskich temperatur, co jest dużym wyzwaniem. Więc podstawowa różnica polega na tym, że przewodniki przewodzą prąd z pewnym oporem, który powoduje straty energii na ciepło, podczas gdy nadprzewodniki, kiedy są schłodzone do odpowiednio niskiej temperatury, przewodzą prąd bez żadnego oporu i bez strat energii.
Niestety to schładzanie do tak niskich temperatur, najczęściej przy pomocy ciekłego helu, którego skroplenie i utrzymanie w takiej postaci jest niezwykle trudne i kosztowne, ograniczało używanie nadprzewodników w naszych technologiach. No i tu na scenę wkracza bohater dzisiejszego odcinka. Poznajcie substancję LK99. Czym jest ta brzmiąca, jak nazwa zespołu z końcówki lat 90. grającego amerykański pankrok, substancja? Już wyjaśniam, ale najpierw bardzo, bardzo, bardzo, bardzo, bardzo ważna rzecz. Praca naukowa, którą tu omawiamy, została opublikowana w katalogu Uniwersytetu Cornela zwanego Archive albo przez niektórych ARCiV. To katalog tak zwanych preprintów. Prac, które dopiero czekają na proces peer review, w którym to inni naukowcy sprawdzają sens tej pracy, a czasem próbują odtworzyć eksperyment. Dopiero owtażalne wyniki eksperymentu mogą nam powiedzieć, czy coś faktycznie ma miejsce, czy nie.
Oczywiście do katalogu tego nie trafia byle co. Autorzy są weryfikowani i muszą wykazać się dorobkiem naukowym. Naukowcy odpowiedzialni za LK99 taki dorobek oczywiście mają. Więc zanim przejdziemy dalej, musimy postawić tu wielkie, czerwone i pulsujące ale, ale może okazać się, że z jakiegoś tylko im znanego powodu naukowcy sfingowali cały eksperyment i mamy do czynienia z jakiegoś rodzaju niewybrannym dowcipem. Ale może okazać się, że jednak eksperymentu nie da się nigdzie powtórzyć, co będzie oznaczało, że wyniki eksperymentów były jakimś niedopatrzeniem ze strony koreańskiego zespołu. Mieliśmy w końcu podobną historię z włoskim zespołem, który rzekomo wykrył neutrina poruszająca się szybciej od prędkości światła. Ostatecznie okazało się, że luźne kable powodowały desynchronizację zegarów atomowych w eksperymencie i zwyczajnie obliczenia były błędne. Ciekawostką natomiast są dwie rzeczy.
Po pierwsze zanim opublikowali pracę, naukowcy złożyli wniosek patentowy na produkcję tej substancji. Po drugie opublikowali film, na którym widzimy jak w warunkach pokojowych LK99 działa dokładnie tak jak zachowywałby się schłodzony nadprzewodnik, a mianowicie wykazuje tzw. efekt Meissnera. Ok trudna definicja stop co to jest za efekt polega on na tym, że nadprzewodnik będący w stanie nadprzewodzenia i umieszczony nad magnesem niejako wypycha ze środka pole magnetyczne. Efektem tego jest lewitacja magnetyczna i coś co nazywamy kwantowym blokowanie. Nadprzewodnik zawiśnie sobie w polu magnetycznym i będzie tak sobie lewitował bez żadnej dodatkowej siły opierając się ziemskiej grawitacji. Jeśli jednak przyłożymy do niego jakąś siłę np. popchniemy taki nadprzewodnik to otrzymamy coś bardzo praktycznego tzw. maglew czyli super szybki pociąg magnetyczny dokładnie taki jaki jeździ np.
w Japonii. Oczywiście trzeba dodać tu więcej kroków jak np. budowa odpowiednich torów no i samego pociągu ale zasada działania jest dokładnie taka sama. Obecnie nadprzewodniki w takim pociągu muszą być chłodzone co utrudnia jego eksploatację no i mnoży koszta. Wyobraźmy sobie jednak że LK99 faktycznie działa o ileż prostsze i tańsze byłoby oparcie transportu na takich rozwiązaniach. No ale nie wybiegajmy w przyszłość o zastosowaniach jeszcze sobie porozmawiamy. Na razie skupmy się na samej substancji. Wcześniejsze nadprzewodniki musiały mieć zapewnione skrajne warunki do bycia nadprzewodnikami albo ekstremalnie niskie temperatury trudne do wykonania lub też ekstremalnie wysokie ciśnienia. Dzięki czemu temperatura mogła być w warunkach pokojowych. No ale co z tego skoro takiego materiału nie dałoby się wygodnie zastosować w żadnej technologii.
LK99 wydaje się być wręcz prawdziwym świętym gralem. Nie dość że nie potrzebuje niskich temperatur to dodatkowo zachowuje właściwości nadprzewodzące aż do temperatury 127 stopni Celsjusza. Generalnie wszystkie stany krytyczne nadprzewodnika mają odpowiednie parametry. A cóż to takiego te stany krytyczne. Nadprzewodniki cechuje kilka takich parametrów i są to. Krytyczna temperatura w skrócie TC to temperatura poniżej której materiał zaczyna działać jako nadprzewodnik. Wyobraź sobie że masz tabliczkę czekolady. Kiedy jest gorąco czekolada jest miękka i półpłynna. Jest w tym przypadku zwykłym przewodnikiem. Elektrony próbując płynąć po jej powierzchni grzęzną w niej i spowalniają emitując dodatkowe ciepło. Ale kiedy schłodzi czekoladę poniżej pewnej krytycznej temperatury staje się twarda. A po takiej powierzchni można już podróżować bez przeszkód.
No i podobnie jest z nadprzewodnikami muszą być schłodzone poniżej pewnej krytycznej temperatury aby stwardnieć oczywiście w cudzysłowie i stać się nad przewodnikami. Kolejny parametr to zerowa rezystywność. Rezystywność to miara tego jak mocno materiał stawia opór przepływu prądu. I wyobraź sobie że biegniesz po bieżni. Bieżnia jest gładka więc możesz biec bez problemu. To jak nadprzewodnik z zerową rezystywnością. Ale jeśli ktoś nasypie piasek na bieżnie stawiasz większy opór i bieganie staje się trudniejsze. I to jak przewodnik z pewną rezystywnością. Czyli widać tu jak pięknie ten parametr łączy nam się z naszą czekoladą. Krytyczny prąd to maksymalna ilość prądu jaką możemy przepuścić przez nadprzewodnik zanim przestanie być nadprzewodnikiem. Tu też są limity. Wyobraź sobie że nosisz plecak.
Możesz włożyć tam trochę książek i nadal swobodnie chodzić. To jak przepływ prądu poniżej wartości krytycznej. Ale jeśli dodaż zbyt wiele książek plecak stanie się zbyt ciężki no i nie będziesz mógł już normalnie iść. I to jest jak przekroczenie krytycznego prądu w nadprzewodniku. A skoro już o prądzie no to i o polu magnetycznym. Krytyczne pole magnetyczne to maksymalne pole magnetyczne które nadprzewodnik może wytrzymać zanim przestanie być nadprzewodnikiem. No tutaj prosta sprawa. A o efekcie Meisnera wspominałem już wcześniej. Ok to teraz czas się wziąć za rogi z największym bykiem tego newsa czyli w jaki właściwie sposób działać ma ten nowy materiał który przypominam po raz kolejny być może jest nadprzewodnikiem działającym w warunkach temperatury pokojowej i normalnego ciśnienia.
Według autorów nadprzewodnictwo LK99 pochodzi z drobnych zniekształceń strukturalnych spowodowanych niewielkim skurczeniem objętości a nie z zewnętrznych czynników takich jak właśnie temperatura i ciśnienie. Drobne zniekształcenia strukturalne o których mówi artykuł odnoszą się do zmian w strukturze krystalicznej tego materiału jakim jest LK99 które są wywoływane przez zastąpienie jonów ołowiu EB2 plus jonami miedzi CU2 plus w sieci fosforaną ołowiu. Zastąpienie powoduje niewielki skurcz objętości materiału o 48 centy procenta. Ok teraz prościej wyobraź sobie że budujesz wieżę z klocków Lego. Każdy klocek reprezentuje atom w naszym materiale. Gdy wymieniasz jeden klocek na nieco mniejszy cała struktura wieży się nieco zmienia. No i jest to drobne zniekształcenie strukturalne. W przypadku LK99 zamieniają się pewne atomy na inne co powoduje zmiany w całej strukturze tego materiału.
Mechanizm o którym mówią autorzy polega na tym że skurcz objętości generuje napięcie w strukturze krystolicznej materiału i to napięcie jest następnie przenoszone na ołów w kolumnach cylindrycznych powodując zniekształcenie interfejsu cylindrycznej kolumny. Zniekształcenie to prowadzi do powstania super przewodzących studni kwantowych w skrócie SQW w interfejsach. Ok brzmi źle. I już tłumaczę co oznaczają te terminy rodem z księgi zaklęci doktora Strange. Super przewodzące studnie kwantowe w skrócie SQW to obszary w których elektrony mogą poruszać się bez oporu. No co jest kluczową cechą nad przewodnictwa. SQW to trochę jak takie małe tunele lub ścieżki w tej twojej wieży z klocków które pozwalają na łatwe przesuwanie małych cząstek które tutaj reprezentują elektrony bez żadnych przeszkód.
W przypadku LK99 zniekształcenia w strukturze tworzą te właśnie SQW które umożliwiają elektronom swobodne przemieszczanie bez oporu. Czyli materiał zmienia swój kształt tworzą się te takie tunele i tam mogą te elektrony sobie bez problemu zasuwać. Lećmy dalej w kontekście materiałów krystalicznych bo takim jest właśnie LK99 i po prostu tworzy kryształy. Termin kolumny cylindryczne odnosi się do układów atomów lub pionów które są uporządkowane właśnie w kształcie takich cylindrów. W przypadku LK99 autorzy mówią o kolumnach cylindrycznych w kontekście struktury krystalicznej właśnie tego materiału. Można sobie to wyobrazić jak budynki w mieście gdzie każdy budynek to taka kolumna cylindryczna a każde piętro to warstwa atomów lub pionów.
W kontekście materiałów interfejsy to granice między dwoma różnymi rodzajami materiałów lub dwoma różnymi obszarami w tym samym materiale. Można to porównać do granicy między dwoma krajami lub między dwoma różnymi rodzajami terenu takimi jak las i łąka. Interfejsy w kontekście tego materiału są prawdopodobnie obszarami gdzie występują zniekształcenia strukturalne prowadzące do powstania super przewodzących studni kwantowych czyli tych naszych łatwych do przebywania tuneli. Jeśli SQW powstają na skutek zniekształceń na granicach kolumn cylindrycznych jak sugerują autorzy to tak te interfejsy mogą być właśnie granicami między kolumnami cylindrycznymi a tymi SQW. I w tym kontekście interfejsy nie tylko są granicami pomiędzy różnymi obszarami ale są również tymi miejscami gdzie zachodzą kluczowe procesy takie jak powstawanie tych SQW które umożliwiają nadprzewodnictwo.
Przez to interfejsy mają bardzo duże znaczenie dla właściwości nadprzewodzących tego materiału. No i dlatego warto wiedzieć czym te trzy różne elementy w kontekście tej krystalicznej budowy naszego LK99 są. No dobra nie jest to może super proste ale zasada działania wydaje się dość ciekawa a co więcej opracowanie i wytwarzanie LK99 według jego twórców nie jest procesem na zbyt skomplikowanym a wręcz relatywnie tanim. Ale zakładając że to wszystko prawda że nie ma pomyłki i że za chwilę będziemy mieli dostępne tanie nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym to co z tego dla nas. Jak może to odczuć przeciętny Kowalski. Ok zacznijmy na początek transmisja energii. W naszych obecnych systemach przesyłu energii występują znaczne straty energii spowodowane rezystancją przewodników.
Nadprzewodniki które mają zerowy opór mogłyby przesyłać energię bez strat co znacznie zwiększyłoby efektywność energetyczną naszych sieci energetycznych. W skali globalnej mogłoby to prowadzić do znacznych oszczędności energii. Zmieni się też samo generowanie energii wiele typów generatorów elektrycznych takich jak te w elektrowniach wiatrowych czy geotermalnych czy też konwencjonalnych elektrowniach korzysta z magnesów. Nadprzewodniki ze względu na ich zdolność do utrzymania silnego pola magnetycznego bez strat mogą potencjalnie zwiększyć efektywność tych generatorów. Kolejny element to magazynowanie energii. Nadprzewodniki mogą także przyczynić się do rozwoju wysoce efektywnych systemów magazynowania energii zwanych nadprzewodnikowymi zasobnikami energii. W skrócie SMES.
SMES mogą gromadzić i uwalniać dużą ilość energii z niewielką stratą co jest kluczowe dla stabilizacji sieci energetycznej szczególnie w kontekście zwiększenia udziału nieregularnych źródeł odnawialnej energii takich jak energia wiatrowa i słoneczna co prowadzi często do braków po prostu w prądzie. Kolejna rzecz silniki i napędy oparte na nadprzewodnikach mogą działać z wyższą efektywnością niż tradycyjne silniki co może przynieść oszczędności energii w wielu zastosowaniach od pojazdów elektrycznych po przemysłową automatykę. I transport zyska pociągi magnetyczne takie jak maglew wykorzystują nadprzewodnictwo do lewitacji i mogą osiągać bardzo wysokie prędkości bez tarcia. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby zrewolucjonizować ten rodzaj transportu. Zyska również medycyna. Technologie medyczne takie jak rezonans magnetyczny czyli MRI wykorzystują nadprzewodnictwo.
Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby obniżyć koszty i złożoność tych urządzeń. Kolejna rzecz to komputery kwantowe. Nadprzewodniki są kluczowe dla rozwoju tych komputerów. Mogą one przeprowadzać obliczenia znacznie szybcie niż tradycyjne komputery albo inaczej w inny sposób i być bardziej praktyczne w niektórych zastosowaniach. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby przyspieszyć rozwój tej technologii no bo w tym momencie niestety to są skomplikowane urządzenia które muszą być schładzane do bardzo niskich temperatur. Nadprzewodniki mogą być też wykorzystywane w detektorach cząstek takich jak te używane w akceleratorach cząstek. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby zwiększyć czułość tych detektorów. Mogą też zrewolucjonizować technologie procesorów zwłaszcza w kontekście procesorów wielowarstwowych.
Obecnie jednym z największych wyzwań w produkcji coraz bardziej złożonych układów scalonych takich jak procesory wielowarstwowe jest zarządzanie ciepłem. Jeżeli będziemy chcieli nadrukowywać kolejne warstwy tranzystorów nad sobą to po prostu się przegrzają i spalą. Przy tradycyjnym przewodzeniu elektrycznym przepływ prądu powoduje wydzielanie się ciepła. W przypadku procesorów o wysokiej gęstości i wielu warstwach to ciepło będzie się gromadzić prowadzić do przegrzewania. Może to skracać żywotność urządzenia albo nawet prowadzić do uszkodzeń albo w ogóle uniemożliwić stworzenie takiego urządzenia. Nadprzewodniki nie wydzielają ciepła ponieważ przewodzą prąd bez oporu. Dlatego mogłyby one umożliwić tworzenie procesorów o większej gęstości i z większą ilością warstw bez obaw o przegrzewanie. I to otwiera drzwi do tworzenia jeszcze bardziej zaawansowanych i o większej obliczeniowej komputerów.
Jednak trzeba zauważyć, że chociaż nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest ekscytującym postępem istnieje wiele innych technicznych wyzwań związanych z integracją nadprzewodników do procesorów takich jak problem kompatybilności z innymi materiałami których używa się w technologii półprzewodnikowej. Mimo to potencjał jest ogromny. Jak więc widzicie news jest naprawdę gruby, tłusty i wspaniały i oby okazał się prawdą. Obyśmy znowu nie zostali z przysłowiową ręką w notniku ciesząc się na jakąś technologię, która ma spłynąć na nas niczym łaska z nieba albo być świętym gralem, a potem okazuje się tylko wydmuszką. Miejmy nadzieję, że tym razem nie mamy do czynienia z wydmuszką i coraz więcej zaczyna wskazywać na to, że tak właśnie jest. To znaczy, że to nie jest wydmuszka.
Natomiast tutaj już warto zwrócić uwagę na to, że niektórzy naukowcy podnoszą pytania o to, czy LK99 nie jest czasami diamagnetykiem, czyli takim materiałem, który zachowywałoby się dość podobnie jak w filmie, który opublikowali twórcy tej pracy naukowej. No cóż, być może jest właśnie w ten sposób. No i niestety wtedy wszelkie nadzieje dotyczące tego LK99 raczej spłoną tutaj w tym ogniu podważania tego, że jest to nadprzewodnik. Natomiast może być też tak, że ta substancja jest po prostu niezbyt czysta. Są tam domieszki innych molekuł w zbyt dużej ilości i przez to nie w każdym miejscu jest po prostu nadprzewodząca i stąd może być takie dziwne zachowanie nad tym. Zresztą co ciekawe próby od tworzenia tego eksperymentu już trwają.
Możecie zobaczyć to na żywo. Ile jeszcze będzie na żywo jak będziecie to oglądać. Link jest w opisie tego filmu. Natomiast jeśli okaże się, że jest wydmuszką to oczywiście damy znać, ale damy też znać jeżeli dalej będziemy mieli jakieś newsy na ten temat i okaże się, że ten święty grał nadprzewodnictwa jest w zasięgu ręki. Póki co zapraszam was do opisu tego filmu tam znajdziecie linki do właśnie tych prac naukowych, które wam tutaj pokazywałem i na podstawie których powstał ten odcinek. My widzimy się w kolejnych Astro Shortach. Trzymajcie się. Do zobaczenia i cześć. Nie zapomnijcie zasubskrybować oraz zafollowować mnie na Facebooku. .
S K R Y B O T
Skrybot. 2023, Transkrypcje video z YouTube
Informujemy, że odwiedzając lub korzystając z naszego serwisu, wyrażasz zgodę aby nasz serwis lub serwisy naszych partnerów używały plików cookies do przechowywania informacji w celu dostarczenie lepszych, szybszych i bezpieczniejszych usług oraz w celach marketingowych.